施工過程安全數(shù)字孿生模型的構(gòu)建和應(yīng)用*

周 煒，王 亮，趙挺生，陳 磊，李 聰

(1.中建三局第一建設(shè)工程有限責任公司，湖北 武漢 430040；2.華中科技大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引言

建筑工程存在大量高風(fēng)險、工藝流程復(fù)雜、技術(shù)難度大的施工過程(如起重機械安拆、土石方開挖等),針對該類施工過程進行重點監(jiān)控是現(xiàn)場安全管理的重要環(huán)節(jié)。受施工現(xiàn)場多源風(fēng)險耦合和動態(tài)環(huán)境作用，傳統(tǒng)人工巡檢方式因?qū)崟r性和準確性局限，無法對施工活動的工藝流程、安全技術(shù)參數(shù)和風(fēng)險等進行動態(tài)控制[1]。

基于物聯(lián)傳感技術(shù)能夠?qū)崟r感知施工過程特定參數(shù)[2]，判斷特定實體(如工作步)是否滿足安全閾值[3-4]，但施工過程包含大量流程邏輯規(guī)則和技術(shù)參數(shù)關(guān)聯(lián)關(guān)系，難以被數(shù)字化表達，現(xiàn)有技術(shù)無法感知和判斷時空維度下施工過程系統(tǒng)的整體行為和屬性(如工序進程、動態(tài)風(fēng)險等)，難以實現(xiàn)對施工過程整體的安全控制，制約對施工過程安全的智慧監(jiān)控。

隨著數(shù)字化技術(shù)不斷發(fā)展，數(shù)字孿生成為各個領(lǐng)域的研究熱點。在NASA技術(shù)報告中，數(shù)字孿生(Digital Twin，DT)被正式提出并被定義為“集成了多物理量、多尺度、多概率的系統(tǒng)或飛行器仿真過程”[5]。數(shù)字孿生以數(shù)字化方式建立多維、多時空尺度、多物理量的虛擬實體，能夠?qū)崟r仿真和刻畫物理實體在真實環(huán)境中的屬性、行為、規(guī)則等[6-7]。王佳奇等[8]基于數(shù)字孿生構(gòu)建瓦斯事故孿生模型，實現(xiàn)瓦斯事故的事前預(yù)防和快速響應(yīng)；Boje等[9]指出數(shù)字孿生提供物理活動與虛擬世界同步手段，結(jié)合仿真和預(yù)測方法可為實現(xiàn)施工過程安全的動態(tài)監(jiān)控提供技術(shù)支持。

本文基于本體建立施工過程安全的語義本體，明確施工過程安全關(guān)鍵知識要素，構(gòu)建施工過程安全數(shù)字孿生多維模型，基于物聯(lián)網(wǎng)和有限狀態(tài)機闡述模型實現(xiàn)施工過程安全控制的方法，并以某塔吊頂升活動安全監(jiān)控為例進行實際運用。研究結(jié)果可為實現(xiàn)施工過程全要素數(shù)字化、減少安全事故提供指導(dǎo)。

1 施工過程安全知識分析

為實現(xiàn)施工過程安全在虛擬世界中的數(shù)字化表達，系統(tǒng)分析施工過程安全管理知識，獲取施工過程關(guān)鍵知識要素，建立各類知識要素數(shù)據(jù)元。

在施工安全領(lǐng)域，本體憑借知識表達、共享、推理和機器可讀能力引起學(xué)者關(guān)注，大量安全本體被用以整合和結(jié)構(gòu)化表達各類型安全知識[10-11]。通過系統(tǒng)分析施工過程相關(guān)工藝流程和安全管理要求，建立施工過程安全語義本體，如圖1所示，可用于可視化表達施工過程安全知識中各類概念及概念間相互關(guān)系。

圖1 施工過程安全語義本體

施工過程安全語義本體描述3類概念(工藝類概念、安全類概念和過程安全規(guī)則類概念)以及各概念之間的鏈路關(guān)系。工藝類概念包含施工過程、任務(wù)、活動、工作步、施工方法和技術(shù)參數(shù)等概念。其中，任務(wù)、活動和工作步為施工過程的子類，同時也描述施工過程層級；工作任務(wù)是施工過程的子過程，每個工作任務(wù)由1套活動組成，每個活動由不同工作步構(gòu)成。施工方法規(guī)定工作步遵循的流程規(guī)則和技術(shù)參數(shù)。

安全類概念包含致險因素、潛在危險、風(fēng)險控制措施、安全預(yù)警指標和安全參數(shù)等。工作步與致險因素通過“存在”關(guān)系鏈接，表述工作步中存在的致險因素。致險因素指引發(fā)施工過程中各類潛在危險(如塔吊倒塌和塔臂折斷等)的因素，即致險因素“導(dǎo)致”潛在危險。通過制定風(fēng)險控制措施對施工過程中的潛在危險進行“控制”，風(fēng)險控制措施中“規(guī)定”執(zhí)行工作步安全參數(shù)。此外，通過構(gòu)建安全預(yù)警指標，能夠?qū)撛谖ｋU進行“預(yù)警”。

過程安全規(guī)則類概念包含過程安全規(guī)則、流程規(guī)則、參數(shù)規(guī)則、風(fēng)險規(guī)則和過程參數(shù)等。過程安全規(guī)則“控制”施工過程，是過程作業(yè)安全的控制條件，由流程規(guī)則、參數(shù)規(guī)則和安全規(guī)則共同構(gòu)成：流程規(guī)則描述執(zhí)行工作步遵循的工藝流程，而工藝流程由施工方法決定，所以施工方法“規(guī)定”流程規(guī)則；參數(shù)規(guī)則描述開始/結(jié)束工作步前需滿足準入條件/準出條件，過程參數(shù)包含技術(shù)參數(shù)和安全參數(shù)，用于構(gòu)建工作步的準入條件/準出條件,所以過程參數(shù)是參數(shù)規(guī)則的一部分；風(fēng)險規(guī)則描述執(zhí)行工作步需要監(jiān)控的警情狀況，由安全預(yù)警指標組成。

綜上，施工過程安全語義本體中工藝類、安全類和過程安全規(guī)則類概念是虛擬世界中刻畫施工過程安全的關(guān)鍵知識要素。

2 施工過程安全數(shù)字孿生模型

2.1 模型構(gòu)成

結(jié)合施工過程安全關(guān)鍵要素和陶飛等[12]提出的數(shù)字孿生五維模型，構(gòu)建施工過程安全數(shù)字孿生模型(Construction Process Safety Digital Twin，CPS-DT)，模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。該模型建立施工過程安全的虛實雙向交互的映射機制，為施工過程中安全數(shù)據(jù)融合和安全智慧監(jiān)控提供參考架構(gòu)，為施工過程安全管理提供更加實時、高效和智能的服務(wù)。

圖2 施工過程安全數(shù)字孿生模型

施工過程安全數(shù)字模型包含施工過程物理實體PPE，施工過程安全虛擬實體PVE，施工過程安全孿生數(shù)據(jù)PDD，安全控制服務(wù)SCS和各組成部分間的連接CN等，可定義為5元組MCPS如式(1)所示：

MCPS=(PPE,PVE,PDD,SCS,CN)

(1)

在PPE上布設(shè)數(shù)據(jù)采集裝置，通過物聯(lián)網(wǎng)手段實時感知和存儲施工監(jiān)測數(shù)據(jù)。PVE以數(shù)字化方式刻畫施工過程物理實體，動態(tài)描述施工過程安全要素狀態(tài)，是能被計算機識別的數(shù)字模型。PVE包含施工過程模型RV和安全仿真模型BV：RV基于施工過程安全語義本體建立，能夠存儲施工過程安全的知識要素，形成施工工藝、施工安全和過程安全規(guī)則數(shù)據(jù)；BV是基于RV建立施工過程安全的仿真模型，能夠在物聯(lián)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)驅(qū)動下對PPE實時仿真，輸出施工過程安全狀態(tài)，例如當前工作步、過程參數(shù)的時間序列以及當前安全風(fēng)險。PDD是通過PVE建模和物聯(lián)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)手段構(gòu)建現(xiàn)實世界施工過程安全向數(shù)字世界的映射。SCS為PDD驅(qū)動下通過既定規(guī)則和物聯(lián)網(wǎng)傳輸手段開展操作指引、安全預(yù)警和動態(tài)控制等服務(wù)，實現(xiàn)對現(xiàn)實世界施工作業(yè)工人和機械設(shè)備的實時控制。CN為MCPS模型各組分的互聯(lián)，是模型各組分交互的渠道。

2.2 模型實施方法

結(jié)合施工過程安全數(shù)字孿生模型、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和有限狀態(tài)機，施工過程安全監(jiān)控實現(xiàn)流程包括以下4個步驟：

步驟1)：確定現(xiàn)實世界中施工過程物理實體PPE，根據(jù)施工過程安全語義本體，從施工方案中提取PPE的關(guān)鍵知識要素，將施工過程安全知識參數(shù)化存儲于特定的物理結(jié)構(gòu)中，表達為計算機能識別的施工過程模型RV。

步驟2)：選取施工過程模型RV中過程參數(shù)和安全預(yù)警指標為監(jiān)測內(nèi)容，在施工過程物理實體PPE上布設(shè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集裝置和預(yù)警裝置，施工過程中實時采集信息，獲取施工監(jiān)測數(shù)據(jù)，并實時接收控制指令進行安全預(yù)警。

步驟3)：建立RV的安全仿真模型BV，BV在施工監(jiān)測數(shù)據(jù)驅(qū)動下實時仿真，分析施工過程物理實體PPE的實時行為，存儲過程仿真數(shù)據(jù)。

采用有限狀態(tài)機(Finite State Machine，F(xiàn)SM)方法建立BV。FSM是1種輸入輸出系統(tǒng)，表示有限狀態(tài)及狀態(tài)間轉(zhuǎn)移和動作等行為的模型[13]。設(shè)FSM為5元組如式(2)所示：

F=(S,O,E,T,W)

(2)

式中：S為有限狀態(tài)集；O為特定狀態(tài)下執(zhí)行的輸出動作集；E為能夠接收的輸入事件集；T為狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，T:S×E→S規(guī)定狀態(tài)和事件的映射邏輯，代表狀態(tài)間的跳轉(zhuǎn)邏輯；W為輸出函數(shù)，W：S→O規(guī)定狀態(tài)和動作的映射邏輯，代表不同狀態(tài)執(zhí)行的動作。

具體實現(xiàn)方式包括：建立施工過程安全狀態(tài)機，設(shè)置S存儲施工過程工作步；E存儲過程參數(shù)和參數(shù)規(guī)則；O存儲安全預(yù)警指標和風(fēng)險規(guī)則；將工作步和過程參數(shù)與流程規(guī)則和參數(shù)規(guī)則結(jié)合建立T；以工作步和關(guān)聯(lián)安全預(yù)警指標，結(jié)合風(fēng)險規(guī)則構(gòu)建W。當施工監(jiān)測數(shù)據(jù)觸發(fā)E中過程參數(shù)滿足參數(shù)規(guī)則時，驅(qū)動狀態(tài)機實時仿真，執(zhí)行T和W，輸出當前工作步、過程參數(shù)和安全警情指標時間序列，存儲過程仿真數(shù)據(jù)。

步驟4)：建立安全控制服務(wù)SCS，在PDD驅(qū)動下進行數(shù)據(jù)分析和風(fēng)險決策，實時將控制信息反饋至PPE。

3 案例實證

塔吊頂升活動是具有代表性的高風(fēng)險施工過程[14]。本文以某項目TC6013型塔吊頂升活動為例，具體說明施工過程安全數(shù)字孿生模型的應(yīng)用。

3.1 塔吊頂升過程模型

選取待監(jiān)控的塔吊頂升活動，從專項施工方案中提取頂升活動的關(guān)鍵知識要素，見表1。建立塔吊頂升施工過程模型，將施工工藝數(shù)據(jù)和風(fēng)險控制數(shù)據(jù)存儲于計算機中。

表1 塔吊頂升活動關(guān)鍵知識要素

3.2 數(shù)據(jù)采集和傳輸

根據(jù)塔吊頂升活動的過程參數(shù)和安全預(yù)警指標，制定監(jiān)測方案，見表2。在施工現(xiàn)場布設(shè)數(shù)據(jù)采集裝置、預(yù)警設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)傳輸裝置和服務(wù)器，搭建塔吊頂升活動物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，如圖3所示。數(shù)據(jù)采集裝置實時感知現(xiàn)實世界塔吊頂升活動監(jiān)測指標狀態(tài)，物聯(lián)網(wǎng)傳輸裝置采用RFID、WIFI和5G等方式建立施工監(jiān)測數(shù)據(jù)和安全控制信息的無線傳輸通道，服務(wù)器構(gòu)建數(shù)據(jù)庫動態(tài)存儲塔吊頂升活動數(shù)字孿生數(shù)據(jù)，并為虛擬世界中安全動態(tài)仿真和安全控制提供計算和存儲資源。

圖3 塔吊頂升活動物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)

表2 塔吊頂升活動監(jiān)測方案

3.3 安全仿真模型建立

基于FSM建立塔吊頂升活動狀態(tài)機，在施工監(jiān)測數(shù)據(jù)驅(qū)動下，對現(xiàn)實塔吊頂升活動進行仿真，實時輸出塔吊頂升活動工作步、過程參數(shù)和安全指標狀態(tài)等過程仿真數(shù)據(jù)，如圖4所示。頂升活動所有工作步j(luò)obi轉(zhuǎn)化為FSM狀態(tài)集S。構(gòu)建輸入事件集E={ei/i=1,2,…,9}存儲工作步關(guān)聯(lián)的過程參數(shù)，ei用監(jiān)測指標規(guī)則組合表示。例如表1中job3關(guān)聯(lián)的過程參數(shù)涉及監(jiān)測指標P1，P2，P3，P4，根據(jù)監(jiān)測變量閾值e3可表示為“P3∈[1.45 m,1.55 m]∧P1=1∧P2=1∧P4∈[0,0.5 m/min]”。構(gòu)建輸出動作集O={oi/i=1,2,…,9}，存儲工作步關(guān)聯(lián)的安全預(yù)警指標。例如表1中job6關(guān)聯(lián)的安全預(yù)警指標為塔身傾斜度、風(fēng)速和頂升速度等，則o6表示為P4∈[0,0.5 m/min]∧P8∈[-14.4″,14.4″]∧P9∈[0,8 m/s]”。依據(jù)頂升活動的串聯(lián)流程和輸入事件，構(gòu)建狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)T:S×E→S，其中T(ei,jobi)=jobi+1；依據(jù)頂升活動各工作步與輸出動作的對應(yīng)關(guān)系，構(gòu)建輸出函數(shù)W：S→O，其中W(jobi)=oi。

圖4 塔吊頂升活動狀態(tài)機

3.4 塔吊頂升安全監(jiān)控

1)控制內(nèi)容

根據(jù)控制理論[15]和CPS-DT的安全控制服務(wù)，建立塔吊頂升安全控制結(jié)構(gòu)，如圖5所示?？刂平Y(jié)構(gòu)由受控對象、執(zhí)行器、感知器和輸入輸出構(gòu)成?？刂平Y(jié)構(gòu)的控制器為塔吊安全控制服務(wù)，受控對象是塔吊頂升活動，執(zhí)行器為現(xiàn)場工人，通過接收控制器的控制指令，調(diào)整施工操作；感知器為塔吊頂升活動數(shù)字孿生數(shù)據(jù)，實時為控制器提供開展塔吊安全控制服務(wù)信息。

圖5 塔吊頂升安全控制結(jié)構(gòu)

參考施工過程安全關(guān)鍵知識要素，塔吊頂升安全控制涉及施工過程的工作步流程、過程參數(shù)和安全風(fēng)險等，目標函數(shù)如式(3)～(6)所示：

OptF[Job,Pr,Pa,Sr]

(3)

Pr=[job(i,i+1)]

(4)

Pa=[pa(jobt)]

(5)

Sr=[sr(jobt)]

(6)

式中：Job代表工作步；Pr表示工作步流程執(zhí)行情況；Pa表示過程參數(shù)執(zhí)行情況；Sr表示安全風(fēng)險狀態(tài)；job(i,i+1)為工作步轉(zhuǎn)移向量；pa(jobt)為過程參數(shù)狀態(tài)值向量；pa(jobt)為安全預(yù)警指標狀態(tài)值向量。

塔吊頂升安全控制使施工過程中各工作步實時滿足流程規(guī)則、參數(shù)規(guī)則和風(fēng)險規(guī)則要求，約束條件如式(7)所示：

(7)

式中：CPr為規(guī)定的流程規(guī)則；Cvalue_pa為參數(shù)規(guī)則；Cvalue_sr為風(fēng)險規(guī)則。

2)效果分析

將施工過程安全數(shù)字孿生模型運用于塔吊頂升活動，實現(xiàn)塔吊頂升安全監(jiān)控。主要效果包括3個部分：①通過物聯(lián)網(wǎng)手段動態(tài)感知塔吊頂升活動安全信息，數(shù)據(jù)驅(qū)動下仿真模型可實時對頂升活動安全進行分析和決策，部分監(jiān)測指標和工序時程示例如圖6所示。②依據(jù)頂升活動工序進展，控制系統(tǒng)可結(jié)合頂升活動關(guān)鍵知識要素對塔吊工人進行操作指引，在執(zhí)行施工動作前語音播報施工工藝和技術(shù)要求，指導(dǎo)工人施工。③塔吊工人執(zhí)行工作步過程中，控制系統(tǒng)依據(jù)數(shù)字孿生數(shù)據(jù)，實時判別各工作步的安全偏差，進行語音播報預(yù)警，實時提醒工人調(diào)整施工操作行為，滿足安全施工流程、參數(shù)和風(fēng)險規(guī)則，實現(xiàn)塔吊頂升活動安全控制目標。

圖6 塔吊頂升活動安全監(jiān)控時程

4 結(jié)論

1)通過定義施工過程安全語義本體，可對施工過程安全知識進行可視化表達，明確施工過程安全關(guān)鍵知識要素包含工藝類、安全類和過程安全規(guī)則類概念。

2)基于數(shù)字孿生構(gòu)建施工過程安全數(shù)字孿生模型，闡述模型構(gòu)成和機理，建立施工過程安全數(shù)字化表達和安全智慧監(jiān)控實施方法。

3)以塔吊頂升活動為例，詳細介紹施工過程安全數(shù)字孿生模型實施步驟，綜合運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和有限狀態(tài)機實現(xiàn)塔吊頂升活動安全監(jiān)控。